CAN总线在汽车网络系统中的研究与应用

CAN总线在汽车网络系统中的研究与应用

程鹏

安徽江淮汽车集团股份有限公司

随着车用电气设备的增多,汽车电气系统也逐渐复杂化,对综合布线、信息共享和交互提出了更高的要求。为了满足各子系统的实时性要求,有必要对汽车公共数据实行共享,如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等,但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式,且本身具有较高的通信速率。

一、CAN总线的特点

CAN总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN为多主工作方式,采用非破坏性总线仲裁技术,将节点信息分成不同的优先级,能满足不同的实时性要求;CAN采用短帧结构,每帧信息均有CRC校验及其验错措施,受干扰概率低,数据出错率极低;CAN的直接通信距离最远可达10km，通信速率可高达1Mbps;CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个;CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活;CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从;在报文标志符上,CAN上的节点分不同的优先级,可满足不同的实时要求,优先级高的数据最多可在134内得到传输;CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响;此外CAN总线还具有较高的性价比,开发技术容易掌握,能充分利用现有的单片机开发工具。

二、智能汽车系统内涵

所谓智能汽车其实质上指的是车辆具备自动驾驶的能力；智能汽车系统则是传感器、计算机、通信设备与信息处理软件等多种高端技术的整合。首先需要明确的是智能汽车应用范围，其最常出现在野外环境中，根据事先设定好的指令，利用地图信息规划全局路径，并感知周围环境，保障车辆行驶安全。

除具备普通型汽车都具有的功能外，智能汽车还增添了很多新功能，诸如：灵活调整车辆自带天线的方向，保障与基地之间实时进行无障碍通信、测算车身位置、判断车头方向等。面对如此之多的新功能，若依然使用与传统汽车相同的RS-232总线对内部数据进行控制与变换，显然不可能，这会导致很多新功能失去应用价值。基于此，结合经验，便需要将CAN总线技术运用到智能汽车系统中，以此构建稳定的内部数据传送通道，即有效实现智能汽车各项新功能。

三、剖析CAN总线技术在智能汽车系统中的运用优势

1、有助于实现关联控制。当智能汽车在行驶过程中出现一些故障时，为快速找出故障，维护汽车运行安全，便要求对智能汽车系统内存在的ECU实施"关联控制"。但结合实际可知，传统控制方法无法满足这一要求，只有运用CAN总线技术才可实现。若汽车在行驶过程中发生碰撞，那么汽车上装配的多个安全气囊会同时打开，随后在CAN总线技术的应用下展开协调操作，而后又通过传感器获取碰撞信号，紧接着再在CAN总线系统的运用下把传感器信号送到中央处理器，进而便能灵活控制安全气囊的启动与弹出动作。

2、有助于实现信息共享。在CAN总线技术的运用之下可以把各ECU有效连接起来，以此实现信心共享，防止增加一些没有必要的线束，且在操作方式上更加简洁。诸如：把CAN总线技术运用到电喷式发动机中，发动机在运行环节所提供的机油压力、转速和水温等性能与其他电器设备共享。如此一来不仅不需要额外再设置机油压力与水温，而且还能直接把这些数据反馈到显示仪上，方便司机及时掌握设备运营状态，并做好维修保养工作。

3、有助于增强运行可靠性。汽车在行驶过程中若发生"交换错误"等类问题，便会影响到汽车行驶安全，进而威胁到车上人员安全。针对此，安装在汽车内的安全系统应当具备非常高的数据安全传输性能，如此才能确保汽车行驶安全，而通过CAN总线技术的运用便可实现这一要求。

4、有助于减少线束。汽车内部主要的网络构成为线束，线束主要作用在于衔接汽车各电气部件，充分发挥出电气部件能效，可以这样认为，汽车电路有线束构成，没有线束也就没有电路。据了解，因人们对汽车的功能需求不断增多，导致越来越多的线束被纳入汽车中，由此可见线束与汽车功能，乃至整个电子控制系统都有着十分密切的联系。传统形式的电子系统所采用的通信方式相对单一，多数应用的是点对点的方式，如此便无法实现资源共享。随着电气件使用的数量不断增多，相应的线束会逐渐增重，加粗，这样一来所形成的布线系统十分庞大，即满足不了智能汽车系统轻便、占地小的要求。查阅资料可知，若一辆高档型汽车使用的是传统型布线方式，那么其导线总长度能接近2000米，其中涉及到的电气节点接近1500个，且这些仅是当前数据，每隔10年便会增长一倍；但运用CAN总线技术后，便能够更加科学合理的布置线束，并以此起到节省空间，缩小占地面积的目的。诸如：某一型号汽车，应用传统型布线方式时，需要使用到20-30根左右线束，自运用CAN总线技术后，只需2根便能实现传统布线形式的各种功能。可见，CAN总线技术在智能汽车系统中的运用非常重要，除了节省空间外，还能有效减少系统建造成本。

四、CAN总线技术的案例

当前世界上很多的汽车制造企业已经开始运用CAN总线技术，进展较快的有ROLLSROYCE、BMW及BENZ等汽车制造企业，这些企业均在国际上享有盛名，从当前运用CAN总线技术实况看，人们倾向于将CAN总线技术划分成高速、低速等两个层次进行，其中高速范围在250kbps-1Mbps，运用最多处在ABS、发动机以及变速箱等部位，而这些部位有个相同共性便是对实时性要求较高；低速总线速度维持在10kbps-125kbps范围内，运用最多的地方在车身控制模块中。

除此之外，不同车型需要视情况选择不同形式的总线结构，诸如：下位机向上位机传送数据包括车头角度方向、汽车车头、GPS坐标以及当前方向等内容；而上位机向下位机传送数据则包括基地GPS坐标、电机旋转方向角度等。可见，不同的数据传播形式涉及到的传播内容有所差异，而要想确保数据传输准确性，则需要依靠CAN总线及CAN模块。根据汽车档次不同，运用CAN总线技术的方式也有所差异，首先对于一个相对完整的智能汽车电子系统而言，在CAN子网结构与CAN总线技术的有效融合下，可以使整个电子系统连接的更加紧密，并放在同一个子网中，如此整个系统的实时性便会提高；但若面对的是不同子网结构，那么便需要视具体情况采用不同通信速率与接口，只有这样才能调整与优化系统结构，保证网络衔接顺畅。值得一提的是，这样一种CAN总线技术运用模式虽然在一定程度上简化了CAN子网设计的难度，但从硬件使用上分析，其对网络系统的要求更高，且系统运营成本也很高，因此较为适合中高档型智能汽车系统运用。

智能汽车系统为普通汽车系统的延伸系统，是技术水平发展到一定阶段后出现的新系统，人们再对其功能扩展时，增添了一些人工智能技术，这其中便牵涉到CAN总线技术，而文章主要是对CAN总线技术在智能汽车系统中的具体运用进行分析探讨，可知CAN总线技术是一种有着非常扩展性、可靠性及灵敏度的高新技术，除了能实现软硬件的优化升级外，还能从整体出发提高整个智能汽车系统的运行品质。

参考文献：

[1]朱凡、孙运强。CAN总线在汽车网络系统中的应用与研究，机械管理开发，2006，4

[2]陈三昧、陈晨.基于CAN总线技术的智能汽车系统的设计[J].装备制造技术，2012，（8）：25.

[3]白月飞，杨斌.基于CAN总线技术的汽车智能仪表设计[J].中国建材科技，2012，（5）：19.